戈壁沙漠鹽漬土公路路基病害處理研究

溫啟明

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第十師交通基礎(chǔ)設(shè)施項目建設(shè)管理處 北屯市 836099)

近些年，我國東部路網(wǎng)密度顯著上升，帶動?xùn)|部經(jīng)濟飛速發(fā)展，而西部路網(wǎng)稀疏，從基礎(chǔ)設(shè)施上阻礙了西部的經(jīng)濟發(fā)展。隨著“一帶一路”以及西部大開發(fā)的穩(wěn)步推進，諸如新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)的公路新建量在未來將會呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，但此地區(qū)存在大量的戈壁沙漠地帶，其土基多為鹽漬土，十分不利于路基路面的穩(wěn)定，若填筑或運營養(yǎng)護過程中處理不當(dāng)，很容易造成路基路面的損壞，導(dǎo)致交通中斷、經(jīng)濟損失。因此有必要對戈壁沙漠鹽漬土公路路基進行病害處理研究。

1 鹽漬土的工程特性

鹽漬土是鹽土和堿性土以及各種鹽化和堿化土壤的總稱。鹽土是指含有氯化物和硫酸鹽的鹽漬土。通常當(dāng)?shù)叵滤桓邥r，由于毛細管作用，水中的鹽通過蒸發(fā)積聚在土壤表面上。堿土是由于地下水位下降或地表水滲入超過土壤中水分蒸發(fā)時而形成[1]。

1.1 濕陷性

鹽漬土是一種復(fù)雜的“固液氣”三相混合物，其中液相中含有大量的水溶性鹽，如硫酸鹽、碳酸鹽、氯化物等，同時含有如鈉、鎂、鉀等金屬陽離子。

一方面，由于液相中的鹽分溶解后，鹽漬土的力學(xué)性能和物理性質(zhì)發(fā)生很大變化，強度明顯降低。當(dāng)碳酸鹽含量超過0.5%時，因鈉離子的強吸附作用，使土的分散度增高，呈現(xiàn)過高的膨脹性、塑性及遇水崩解性。在低溫條件下，鹽漬土處于干燥結(jié)冰狀態(tài)，此時土體具有較高的強度，壓縮性較低；當(dāng)溫度回升后，冰層消融、土體含水量增加，在車輛荷載與土體自身重力的作用下，路基將產(chǎn)生沉降變形，從而更加泥濘潰爛甚至崩塌，其沉降將對路面上層結(jié)構(gòu)造成很大的破壞，導(dǎo)致一系列的病害。

另一方面，水的蒸發(fā)使得夾層中的水分流失。水中的可溶性鹽在土壤顆粒表面膠結(jié)復(fù)合為一種膠凝材料，這種材料與土壤顆粒由于水和膠凝材料之間的分子吸引而形成膠凝骨架。膠凝骨架阻止了土壤顆粒在其自重下不斷被壓實，在整體結(jié)構(gòu)中則形成了大量孔隙。當(dāng)水浸入該結(jié)構(gòu)時，膠凝材料在短時間內(nèi)就被水溶解[2]。

1.2 鹽脹性

可溶性鹽在液體中的飽和度是隨溫度而變化的。一般情況下，當(dāng)溫度降低時，飽和度降低，并且過量的鹽分將從溶液中析出形成晶體。其中，硫酸鈉對鹽脹性十分敏感，其原因一方面在于它與晶體的沉淀作用以及較高的溫度敏感性，另一方面在于它含有水分子，硫酸鈉與10個結(jié)晶水形成芒硝晶體，從而體積發(fā)生膨脹。化學(xué)反應(yīng)的方程式為：

Na2SO4+10H2O=Na2SO4·10H2O

由上式可以看出，10個水分子形成與硫酸鈉結(jié)合的化學(xué)鍵，反應(yīng)的過程中有熱量放出，溫度降低有利于形成芒硝晶體，從而導(dǎo)致鹽脹性。當(dāng)土壤溫度有梯度時，它會形成相應(yīng)的鹽濃度梯度，從而使得鹽分由高溫區(qū)域轉(zhuǎn)移至低溫區(qū)域。

當(dāng)溫度變化時，Na2SO4有時會吸水結(jié)晶而體積膨脹，有時會溶解而體積縮小。因此，晝夜溫度交替致使其受到膨脹與收縮的循環(huán)作用，土壤的壓實度與結(jié)構(gòu)將遭到嚴重破壞。由此導(dǎo)致路基與基層部分持續(xù)膨脹，強度降低，道路出現(xiàn)不均勻沉降，平整度不佳[3]。

1.3 腐蝕性

鹽漬土中主要含有硫酸鹽和氯化物，這兩種鹽是影響腐蝕的關(guān)鍵因素。

2 鹽漬土路基處理措施

鹽漬土路基的處理措施可從兩個方面入手：一方面是對已有病害的妥善處治，最大程度地改善現(xiàn)有路基的情況；另一方面，更要從病害源頭入手，從鹽漬土路基的填土施工上改善工藝與材料等。目前，許多處理鹽漬土地基的方法已成功應(yīng)用于該項目并帶來了一些經(jīng)濟效益，但每種方法都有其使用范圍和局限性。

2.1 病害防治措施

前文分析過戈壁沙漠鹽漬土的工程特性及危害，則可以分別以三個主要的不利工程特性為出發(fā)點，針對性地進行防治處理。

(1)針對濕陷性的防治措施

對于鹽漬土地基，如果能改變土壤鹽分和結(jié)構(gòu)，即使浸水也不會受到破壞。

浸水預(yù)溶法主要是在基礎(chǔ)施工前通過浸泡基礎(chǔ)，使可溶性鹽流入較深的土層。在溶解上層土壤可溶性鹽的過程中，土壤結(jié)構(gòu)會因重力而受損。如果毛孔的原始部分被填滿，在這些基礎(chǔ)上的路面結(jié)構(gòu)，即使在水位線之上，也幾乎沒有沉降變形。然而，由于上部溶解鹽的水分流到路基土層底部，深處路基土含有更多的鹽，并且鹽分增加使得溶解速度更慢，因此，垂直土壤滲透性更強。浸泡時間的確定應(yīng)考慮路基土性質(zhì)和鹽含量[4]。一般來說，它適用于厚而良好的滲透性土壤，如砂和礫石。由于土壤滲透性差，不適合使用。

(2)針對鹽脹性的防治措施

設(shè)置隔離層，隔絕水分。使用土工布或砂石層等方式切斷鹽分從底部到頂部的轉(zhuǎn)移，以達到控制土體膨脹的目的,如圖1(a)所示。

深溝或提高路基。這種方法主要是為了降低地下水位，以達到排水和保持路基干燥的目的，以此預(yù)防鹽脹。使用此方法時，一定要注意原路基土壤的含鹽量，如果原路基含鹽量超標，則應(yīng)將頂部鹽漬土清除到一定深度(0.5m)，以避免路基二次鹽漬化，如圖1(b)所示。

(3)針對腐蝕性的防治措施

對于需要架設(shè)橋梁的戈壁沙漠鹽漬土路段，基樁及橋墩的材料可采取抗硫酸鹽水泥。但需要注意的是，抗硫酸鹽水泥只能在一定程度上起作用，對于條件惡劣的鹽漬土地區(qū)，它仍然不能對改善耐久性起到?jīng)Q定性作用。同時，抗硫酸鹽水泥的其他性能低于原水泥，價格較高。加入粉煤灰、礦渣和硅粉等礦物摻和料可以更好地改善性能。

2.2 改善施工工藝

有效的施工工藝同樣可以改善戈壁沙漠鹽漬土地區(qū)的路基病害。通過強夯法，使土壤的密度增加，并具有一定的抗?jié)B透作用，強夯消除了土壤的濕陷性，增加了基礎(chǔ)的強度和穩(wěn)定性，如圖2所示。在動態(tài)壓實過程中，土壤顆粒產(chǎn)生相對位移，土壤原始毛細結(jié)構(gòu)被破壞，土壤鹽分向上轉(zhuǎn)移受阻，也消除了鹽脹性。

對于含有小鹽結(jié)晶和非飽和、低塑性的鹽漬土，強夯法可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，從而提高地基強度，減少濕陷量[5]。

2.3 更換路基填土

當(dāng)治理措施運用、填筑工藝改善無法滿足道路性能的需求時，可考慮在一定長度的重要路段采用換填路基土的方式，例如采用戈壁沙漠地區(qū)常見的風(fēng)積沙作為填土材料，可以有效緩解鹽漬土路基的各種工程病害，降低后期的養(yǎng)護治理成本，提升整體工程質(zhì)量，經(jīng)濟效益和社會效益突出。此方式特點在于徹底去除了鹽分，適合缺水的地區(qū)。

3 鹽凍脹試驗

為研究含鹽量與含水量對土體膨脹的危害影響，通過對含鹽量與含水率進行控制變量，設(shè)計四種不同狀態(tài)的土樣進行3～4次的凍融循環(huán)，分別測量其起始與最終的膨脹率，土體試樣參數(shù)表如表1所示。

表1 土體試樣參數(shù)表

由圖3可以看出：

(1)對比試樣1與試樣2，試樣1僅發(fā)生凍脹，其膨脹率僅由初始的0.2%增加至0.34%，凍脹后的變形基本能恢復(fù)至原來水平；試樣2鹽脹與凍脹同時發(fā)生，可以發(fā)現(xiàn)含鹽量的提高會顯著增大起始與最終膨脹率，膨脹率僅由初始的2.1%增加至2.32%，

(2)對比試樣2與試樣3，隨著凍融循環(huán)進行,其發(fā)生鹽凍脹與恢復(fù)的變形量都較大,最終膨脹率分別達到了2.32%、3.63%，為不含鹽的試樣1的7～10倍。即含鹽量與含水率對鹽凍脹的變形都起到促進作用。含水率的降低使得起始膨脹率縮小，而最終膨脹率增大。

(3)對比試樣3與試樣4，含鹽量的增大對起始膨脹率影響甚微，但最終膨脹率顯著增大，達到了5.21%，為初始膨脹率的四倍多，即含鹽量的上升對土體危害是呈指數(shù)增長的，故必須控制好鹽漬土中各類鹽的含量。

4 結(jié)語

戈壁沙漠鹽漬土地區(qū)的路基條件嚴苛，對道路施工養(yǎng)護技術(shù)提出更高的要求。總結(jié)了鹽漬土的主要工程特性及其帶來的工程危害，并針對不同工程特性提出相應(yīng)的防治措施。含鹽量與含水率對鹽凍脹的變形都起到促進作用，因此需要嚴格控制好路基中的含鹽量與含水率。戈壁沙漠鹽漬土地區(qū)的道路病害非常嚴重，應(yīng)采取合理有效的措施積極預(yù)防治理，最大程度保證行車的安全與舒適。